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Maser für den Erdeinsatz ertüchtigt: Schwächste Signale bei Raumtemperatur übertragen

17 Milliarden km ist die Raumsonde Voyager 2 von der Erde entfernt und sendet weiter Signale. Die dies ermöglichende Maser-Technologie funktionierte bislang nur bei tiefsten Temperaturen. Forschern gelang es jetzt, sie raumtemperaturtauglich für terrestrische Anwendungen zu machen.

Maser Bildquelle: © Jonathan Breeze

Um eine Maserwirkung zu erzielen, wurde ein Diamant in einem Saphirring platziert und mit grünem Licht eines Lasers bestrahlt. Der Diamant erscheint aufgrund der Fluoreszenz nach Anregung rot.

»Maser« steht für »microwave amplification by stimulated emission of radiation«, durch stimulierte Strahlungsemission erzeugte Mikrowellenverstärkung.  Lasern ähnlich erzeugt die Maser-Technologie kohärente Wellen einer einzigen Frequenz und verstärkt dadurch selbst schwächste Signale rauschfrei. Forscher des London Centre for Nanotechnology und der Universität des Saarlandes konnten sie jetzt auch für Raumtemperaturen ertüchtigen.

Bislang funktionierte die Technologie nur bei tiefsten Temperaturen, was durch Kühlung mit flüssigem Helium erreicht wurde. Den Forschern in London und Saarbrücken gelang es jetzt, einen Saphir-Resonator so in einem Magnetfeld zu platzieren, dass die Mikrowellenstrahlung phasenstabil verstärkt wird. Die Strahlung wird durch optische Anregung von Stickstoff-Leerstellen im Diamanten erzeugt.

»Bisher werden Maser vor allem für die Kommunikation im Weltraum eingesetzt, um etwa den Funkkontakt zur Voyager-Raumsonde aufrecht zu erhalten. Denn Maser können sehr schwache Signale rauschfrei verstärken. Das macht sie auch für künftige Kommunikationstechnologien auf der Erde interessant«, sagt Christopher Kay, Professor für Physikalische Chemie und Didaktik der Chemie der Universität des Saarlandes.

»Ein spannender Aspekt dieser Technologie ist, dass die Ausgangsfrequenz einfach durch Änderung des angelegten Magnetfelds eingestellt werden kann. Das aktuelle Gerät arbeitet mit einer Frequenz von neun Gigahertz. Zum Vergleich: Mobiltelefone arbeiten im Zwei-Gigahertz-Bereich. Mit handelsüblichen Magnettechnologien könnten mit unserem Raumtemperatur-Maser Frequenzen bis zu 200 Gigahertz erreicht werden.«

Diamant Bildquelle: © Jonathan Breeze

Diamant im Saphirring

»In der wissenschaftlichen Community war bereits bekannt, dass man Diamanten mit NV-Centren als Grundlage für einen Maser verwenden kann. Der Schwerpunkt unserer Arbeiten lag darin, einen Diamanten in einen Saphir-Resonator zu platzieren«, erklärt der  promovierte Physiker Jonathan Breeze vom Imperial College in London, der gleichzeitig leitende Autor der Publikation des Forschungserfolges im Magazin Nature ist.

Professor Christopher Kay ergänzt: »Ein spannender Aspekt dieser Technologie ist, dass die Ausgangsfrequenz einfach durch Änderung des angelegten Magnetfelds eingestellt werden kann. Das aktuelle Gerät arbeitet mit einer Frequenz von neun Gigahertz. Zum Vergleich: Mobiltelefone arbeiten im Zwei-Gigahertz-Bereich. Mit handelsüblichen Magnettechnologien könnten mit unserem Raumtemperatur-Maser Frequenzen bis zu 200 Gigahertz erreicht werden.« 

Da Maser optische Photonen verwenden, um Mikrowellenphotonen zu erzeugen, erwarten die Forscher, dass ihre Arbeit auch neue Wege auf dem Gebiet der Diamant-Quantentechnologie eröffnen wird.